Ветряные двигатели, одно из древнейших средств получения механической энергии, быть может, так и остались бы исторической диковинкой, если бы не энергетический кризис 70-х годов. Поиск источников энергии, способные заменить нефть, привел к тому, что ветряные двигатели пережили свое второе рождение. В результате они стали появляться в ряде стран в виде одиночных сооружений или целых комплексов, т. е. групп двигателей, подключаемых к местной энергосети. Их вклад в производство электроэнергии пока невысок, но можно предвидеть, что по мере неизбежного роста дефицита нефти и технического усовершенствования самих ветряных двигателей их значение будет возрастать.
Ветряной двигатель используется для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.
Сложности использования энергии ветра
Эти устройства привлекательны тем, что используют даровую энергию ветра. Однако применяемое в них оборудование достаточно дорого, а процесс преобразования энергии технологически довольно сложен. Всякому моряку известно, что обуздать ветер — дело нелегкое. Это, пожалуй, единственный из всех источников энергии, которому свойственна непредсказуемая изменчивость. Выявить регулярность в изменениях ветра в течение дня или сезона можно, применяя различные методы усреднения соответствующих данных измерений, но на практике приходится иметь дело с порывами, затишьями и сменой направления, не поддающиеся прогнозированию.
Непредсказуемость изменения поведения ветра во времени и пространстве — не единственная проблема. Другая связана с высокой величиной диапазона скоростей ветра. Она усугубляется тем, что сила ветра (оказываемое нм давление) пропорциональна квадрату скорости, а его мощность (способность совершать полезную работу) пропорциональна кубу скорости. Таким образом, когда скорость ветра при порывах увеличивается в 8 раз по сравнению со средним значением (что бывает во время шторма), сила ветра возрастает в 64 раза. Если скорость ветра изменяется в 2 раза, что случается нередко, его мощность изменяется в 8 раз.
Изменчивость ветра порождает ряд технических проблем, обусловленных необходимостью согласования нагрузки с вырабатываемой мощностью и защиты установки от сильных ветров. Несколько веков назад первая проблема решалась путем изменения нагрузки в соответствии с изменением мощности ветра. Помол зерна и другие виды работ производились в те моменты, когда дул ветер, и прекращались в период затишья. Современные ветродвигатели соединяют с другими энергопроизводящими установками, чтобы исключить перерывы в работе. В прошлом при сильных ветрах в целях безопасности снимали части ветряков, подобно тому, как на судне перед надвигающейся бурей убирали паруса. Современные ветряные двигатели оснащаются различными механизмами, предохраняющими их от повреждений во время сильных порывов ветра.
Помимо изменчивости ветер имеет еще одну особенность, которую нельзя не учитывать, — это разреженность энергии. При обычных скоростях оказываемое им давление не очень велико (хотя может быть значительным при ураганных ветрах); поток энергии также очень мал — он примерно равен потоку солнечной радиации. При более сильных порывах поток энергии существенно больше (например, при скорости ветра 6 м/с он равен 130 Вт/м2), но использовать всю эту энергию не удается. Если иметь в виду применение ветряных двигателей для выработки электроэнергии, надо признать, что эти показатели ничтожно малы по сравнению с энергетическими показателями ручья или домашней печки, не говоря уже о тепловых электростанциях. Поэтому, для того чтобы генерировать значительное количество энергии, ветродвигатели должны «улавливать» энергию с внушительной площади воздушного потока.